Какие особенности строения атомов металлов определяют их свойства
Металлы – твёрдые элементы, сплавы которых широко применяются в промышленности, строительстве и повседневной жизни. Пластичность, твёрдость, тепло- и электропроводность, а также способность к плавке и ковке обусловлены строением металлов.
Строение
Электронное строение атома металла включает:
- положительно заряженное ядро;
- отрицательно заряженные электроны.
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов, заряд ядра и число электронов соответствуют порядковому номеру металла в периодической таблице.
Электроны в металлических атомах расположены намного дальше от ядра, чем электроны неметаллов. Этим объясняется лёгкость отделения валентных электронов, поэтому металлы всегда являются восстановителями в химических реакциях.
Атомы всех металлов, за исключением ртути, образуют кристаллические решётки. Кристаллическая решётка состоит из повторяющихся комплексов атомов – элементарных кристаллических ячеек, которые бывают трёх видов. Их отличия описаны в таблице строения металлов.
Вид решётки | Характеристика | Примеры |
Кубическая объёмно-центрированная (ОЦК) | Восемь ионов находятся по углам условного куба, один – в середине | Fe, Cr, Mo, W, V |
Кубическая гранецентрированная | Ионы располагаются в углах куба и в центре каждой грани. Центр куба свободен | Cu, Ag, Ni, Pb, Al |
Гексагональная плотноупакованная | Шестигранная призма. В углах и в центре между ними находятся ионы. Посередине призмы лежат ионы, образующие треугольник | Zn, Ti, Mg, Co, Zr |
Рис. 1. Виды решёток металлов.
Физические свойства
Металлы отличаются от неметаллов характерными физическими свойствами:
- имеют металлический блеск;
- проводят электрический ток и тепло;
- не имеют запаха;
- обладают серебристо-серым цветом (исключение – медь и золото).
Благодаря пластичности и плавке металлы могут образовывать сплавы – смеси химических элементов. Большую часть сплавов составляют металлы, остальное – случайные примеси и специально вводимые вещества. Сплавы отличаются высокой прочностью, упругостью, хрупкостью. Широко применяются сплавы на основе железа (чёрные металлы) и алюминия (цветные металлы).
Высокую электропроводность обуславливают свободные электроны, перемещающиеся по кристаллической решётке под действием электрических полей. При нагревании электропроводность уменьшается.
Виды
Классификация металлов приведена в таблице.
Признак | Вид | Пример |
Температура кипения | Легкоплавкие (Т<1000°С) | K, Al, Zn |
Тугоплавкие (Т>1000°С) | Au, Cu, Ni | |
Плотность | Лёгкие (ρ<5 г/см3) | Li |
Тяжёлые (ρ>5 г/см3) | Os | |
Твёрдость | Мягкие – режутся ножом | Na, Rb, Cs |
Твёрдые – используются для резки | Cr |
В химии по структуре орбиталей атома металла различают s-, p-, d-, f-металлы.
Химические свойства
Металлы являются восстановителями и вступают в реакцию с неметаллами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Самыми активными являются щелочные и щелочноземельные металлы, расположенные в I и II группах таблицы Менделеева. Благородные металлы (Au, Ag, Pt) малоактивны и не взаимодействуют с кислородом и водой.
Рис. 2. Шкала активности металлов.
Особенности химического взаимодействия металлов с другими элементами описаны в таблице.
Взаимодействие | Продукты | Уравнение |
С кислородом | Оксиды | 2Mg + O2 → 2MgO |
С серой | Сульфиды | Zn + S → ZnS |
С азотом | Нитриды | 6Li + N2 → 2Li3N |
С фосфором | Фосфиды | 3Ca + 2P → Ca3P2 |
С галогенами | Галогениды | 2Na + Cl2 → 2NaCl |
С водой | Гидроксиды | 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2 |
С кислотами | Соли | 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2 |
С солями (замещают менее активные металлы) | Соль | 2Fe + Cu2SO4 → Fe2SO4 + 2Cu |
Золото растворяется в царской водке (смеси соляной и азотной кислот), серебро – в концентрированной азотной и горячей серной кислотах.
Рис. 3. Золото.
Что мы узнали?
Рассмотрели особенности строения атомов металлов, физические и химические свойства. Металлы состоят из элементарных кристаллических ячеек, отличающихся конфигурацией. Элементы обладают металлическим блеском, электропроводностью, пластичностью, твёрдостью. Металлы – восстановители. Наиболее активные находятся в I и II группах таблицы Менделеева. Металлы реагируют с кислородом, водой, кислотами, галогенами и неметаллами.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 195.
Таблица химических элементов содержит наименования и характеристики ста пяти различных веществ. Основная масса из них является металлами. Эти химические элементы имеют достаточно широкое распространение на нашей планете. Металлы можно встретить в различных соединениях в атмосфере и в недрах земли, в составе живых организмов и растений, а также водах океанов, морей озер и рек. Свойства данных химических элементов весьма специфичны. Их характеристики имеют ярко выраженные отличия от веществ других групп. Так, если элемент относится к разряду металла, то у него в обязательном порядке должен наблюдаться определенный перечень свойств:
— наличие плотной кристаллической структуры;
— выраженный блеск;
— способность к электрической проводимости;
— высокая степень теплопроводности;
— снижение способности проводить электричество с увеличением теплового режима;
— легкая отдача электронов;
— тягучесть, а также ковкость;
— способность образовывать различные сплавы.
Строение металлов, которое определено современным научным мировоззрением, представляет собой кристаллическую решетку. В ее основе находятся свободные электроны и ионы, обладающие положительным зарядом. Сам кристалл изображается в форме решетки, имеющей пространственную структуру. Узлы данной системы заняты ионами, а между ними находятся электроны, обладающие высокой способностью к движению. Строение атомов металлов позволяет активным частицам постоянно перемещаться. Электроны совершают переходы между атомами, а также вращаются вокруг их ядер. Зная особенности строения атомов металлов, можно легко объяснить возникновение в них электрического тока. Он появляется под воздействием разности потенциалов, когда электроны, не имеющие связей с ионами, начинают упорядоченное движение в одном направлении.
Особенности строения атомов металлов обуславливают и высокую тепловую проводимость данных элементов. Электроны, которые совершают непрерывное движение, обмениваются энергией с ионами в момент столкновения с последними. Элементы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, передают колебания соседним частицам, те следующим и так далее. Вследствие этого процесса тепловой режим металла уравновешивается. В результате температура всей массы становится одинаковой.
Особенности строения атомов металлов заключаются в существовании между ними связей ковалентного характера. В кристаллической решетке присутствует также сила кулона, которая притягивает электроны и ионы. Это и есть металлическая связь, которая существует между частицами элемента. Данный тип соединения присутствует даже при наличии жидкого состояния вещества. Исходя из этого, можно сделать вывод, что металлической связью обладают не отдельные частицы. Ею владеют их агрегаты.
С точки зрения химии, особенности строения атомов металлов заключаются в беспрепятственной отдаче электронов валентности и переходе при этом в ионы. Вследствие этого, само вещество служит энергетическим восстановителем. Способность отдавать свои электроны у различных металлов находит свое проявление в различной степени. Чем легче происходит данный процесс, тем более активным считается элемент. При этом его взаимодействие с другими веществами происходит максимально энергично. Существует ряд напряжений, который опытным путем был составлен Бекетовым – русским ученым-химиком. Металлы в этом перечне находятся в определенной последовательности, которая характеризует убывание их химической способности к активности. Исходя из ряда напряжений, можно определить свойства элемента:
— при снижении электродного потенциала металла увеличивается его восстановительная функция;
— металлы способны вытеснять из солевых растворов те элементы, которые расположены после них в ряду напряжений;
— металлы, располагаемые в перечне активности слева от водорода, могут вытеснять его из кислотных растворов.
В процессе изучения химии вы уже ознакомились со многоми неметаллическими элементами и их соединениями. Наиболее известные вам неметаллы – водород, кислород и их уникальное соединение – вода. В 8 классе на примере VII группы главной подгруппы вы познакомились с семейством неметаллов – галогенами, с их свойствами. В новой теме вы получите целостные представления об элементах-неметаллах. Учитывая, что вы имеете некоторый запас знаний о них, умеете использовать ПСХЭ, мы сначала ознакомимся с общими свойствами групп неметаллов, затем и с их конкретными представителями. Такой подход в изучении предмета называется дедуктивным.
I. Положение элементов-неметаллов в ПСХЭ
Анимация: “Деление элементов на металлы и неметаллы”
Неметаллы расположены в правом верхнем углу ПСХЭ (вдоль и над диагональю B-At). Всего 22 элемента-неметалла в Периодической системе. Элементы-неметаллы располагаются только в главных подгруппах ПС.
Слайд-шоу: “Примеры неметаллов”
II. Строение атомов неметаллов
Для атомов-неметаллов характерно:
Небольшой атомный радиус (в сравнении с радиусами атомов-металлов одного с ними периода).
Большее число электронов на внешнем уровне (4-8), исключения Н, Не, В.
Происходит заполнение электронами только внешнего энергетического уровня.
Для элементов-неметаллов характерны высокие значения электроотрицательности.
III. Общие свойства элементов-неметаллов по их положению в ПСХЭ
Своеобразной мерой неметалличности элементов является электроотрицательность (вспомнить понятия электроотрицательности, ряд электроотрицательности). Чем больше ЭО элемента, тем сильней его способность к оттягиванию общих электронных пар, а значит тем сильнее неметаллические, т.е. окислительные способности. Чем ближе в ПС элемент располагается к фтору, тем сильнее проявляются у него окислительные свойства.
III. Неметаллы в природе
Атомы неметаллических элементов составляют подавляющее большинство соединений во Вселенной и верхних слоях Земли. Они более распространены в природе, чем металлы. Некоторые неметаллические элементы встречаются в природе в виде простых веществ: месторождения самородной серы в Прикарпатье; Завальевское месторождение графита; существуют залежи пород, содержащих алмазы. В состав воздуха входят: азот, кислород, инертные газы. Распространенным элементом в космосе является водород. Гораздо больше атомов неметаллических элементов образуют различные сложные вещества. Так, значительную часть литосферы составляет кремнезем SiO2, гидросферы — вода.
Кислород один из самых распространенных элементов на Земле. В земной коре в составе соединений 49% по массе. Он входит в состав воды, горных пород, минералов, солей. Есть обязательной составной частью растительных, животных организмов: входит в состав белков, жиров, углеводов. В воздухе свободного кислорода 21% по объему.
Сера широко распространен в природе как в свободном виде (с примесями горных пород), так и в соединениях с различными металлами (сульфиды), а также в виде солей. Сульфиды: железный колчедан или пирит FeS2, цинковая обманка ZnS, медный блеск CuS, киноварь HgS. Сульфаты: гипс CaSO4 • 2H2O, глауберовая соль Na2SO4 • 10H2O, горькая соль MgSO4 • 7H2O. Содержится в живых организмах, входит в состав белка, в состав органических соединений в нефти.
Элемент Карбон (углерод) входит в состав нефти, газа, угля, сланцев, органических соединений, углекислого и угарного газов. Важный элемент живой природы — входит в состав белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов, гормонов. В виде простых веществ графита и алмаза; сложных веществ: CaCO3 — мел, известняк, мрамор, CaCO3 • MgCO3 — доломит, MgCO3 — магнезит.
Чистый кремний в природе не существует, его добывают химическим способом. По распространенности занимает второе место после кислорода. Оболочка Земли на 97% состоит из соединений кремния. Встречается в виде: SiO2 — песок, кварц, кремнезем; минералов — слюда, асбест, тальк, нефелин, полевой шпат. В стеблях растений (хвощ, бамбук), в теле птиц и животных — перья, глаз, скелет, тело губок.
Азот в виде простого вещества азота входит в состав воздуха, примерно 78% по объему. Содержание элемента в земной коре — 0,01% по массе в виде нитратов. Небольшое количество в составе нефти и каменном угле. Входит в состав белковых веществ всех живых организмов.
Фосфор в природе существует только в соединениях в виде фосфатов. Главные минералы в состав которых входит Фосфор — Ca3(PO4)2 — апатиты и фосфориты (0,08%). Элемент Фосфор входит в состав костной, мышечной, нервной тканей человека и животных, многие его в клетках мозга.
IV. Аллотропия неметаллов
Среди неметаллов распространено явление аллотропии. Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
Причины аллотропии:
Разные типы кристаллических решеток (белый фосфор Р4 – молекулярная, красный фосфор Р – атомная).
Разная структура кристаллической решетки (алмаз – тетраэдрическая, графит – слоистая).
Разный состав молекул аллотропных модификаций (О2 и О3).
Кислород | Озон | |
Состав молекулы | О2 | О3 |
Физические свойства | Газ, без цвета, вкуса и запаха, плохо растворим в воде, в жидком состоянии светло-голубой, в твердом – синий. Температура плавления -218,70С Температура кипения -1830С | Светло-синий газ, темно-голубая жидкость, в твердом состоянии темно-фиолетовый, имеет сильный запах, в 10 раз лучше, чем кислород, растворим в воде. Температура плавления -1930С Температура кипения -1120С |
Химические свойства | Сильный окислитель t 2Cu + O2 = 2CuO 2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 2Ag2O4Ag + O2 | Еще более сильный окислитель, так как имеет неустойчивую молекулу O3 O2 + O 3PbS + 4O3 = 3PbSO4 2Ag + O3 = Ag2O + O2 2KI + O3 + H2O = I2 + 2KOH + O2 |
V. Подгруппа кислорода (халькогены)
ХАЛЬКОГЕНЫ
В подгруппу кислорода входят элементы: кислород, сера, селен, теллур, полоний.
1. ХАЛЬКОГЕНЫ В ПРИРОДЕ
Положение в таблице
2. Свойства элементов VI-A подгруппы.
Элемент | Кислород | Сера | Селен | Теллур | Полоний |
Свойство | |||||
Порядковый номер элемента | 8 | 16 | 34 | 52 | 84 |
Относительная атомная масса | 15,999 | 32,067 | 78,96 | 127,60 | 208,982 |
Температура плавления,С0 | -219 | 119 | 217 | 450 | 254 |
Температура кипения,С0 | -183 | 445 | 685 | 1390 | 962 |
Плотность г/см3 | 1,27 | 2,1 | 4,8 | 6,2 | 9,4 |
Степени окисления | -2 ( со фтором +2, в перикисях -1) | -2, +4, +6 | -2, +4, +6 | -2, +4, +6 | -2, +4, +6 |
3. Строение атомов кислорода и серы
O+8 )2)6 1s22s22p4 Р-элемент
S+16 )2)8)6 1s22s22p63s23p4 Р-элемент
Кислород и сера имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня – ns2np4, где n – номер периода.
VI. Тренажеры
Тренажер №1: “Знакомство с неметаллами”
Тренажер №2: “Положение неметаллов в ПСХЭ”
Тренажер №3: “Электронное строение атомов неметаллов”
VII. Тест
Тест: “Общая характеристика неметаллов”
ЦОРы
Анимация: “Деление элементов на металлы и неметаллы”
Слайд-шоу: “Примеры неметаллов”
Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с образцами природных соединений неметаллов”